一种基于双拉曼管光源的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置

摘要

本发明公开了一种基于双拉曼管光源的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置，包括激光发射单元、光学接收单元、信号采集和信号分析单元，所述的激光发射单元采用D₂、H₂双拉曼管光源系统，同时发射266nm、289nm、299nm、316nm激光，由光学接收单元接收，光学接收单元出来的光信号由信号采集单元转换为数字信号并保存在工控机上，通过信号分析单元实时分析。四通道的回波信号同时探测，可以兼顾对流层臭氧低层、中层、高层不同高度探测精度的需求，本发明可以实现对对流层臭氧立体分布的昼夜全天候观测，具有较高的时间分辨率、空间分辨率和高探测精度。

主权项

一种基于双拉曼管光源的差分吸收激光雷达臭氧时空分布昼夜自动探测装置，其特征在于包括：Nd:YAG四倍频激光器（1）、充D₂的拉曼管（13）、充H₂的拉曼管（8）、激光雷达接收光学系统（17）、信号分离和光电转换系统、工控机（20）、瞬态记录仪（19）、半反半透镜（2）、第一45⁰全反镜（3）、第二45⁰全反镜（5）、第三45⁰全反镜（6）、第一透镜（7）、第二透镜（9）、第三透镜（12）、第四透镜（14）、第一直角棱镜（10）、第二直角棱镜（11）和第三直角棱镜（15）和第四直角棱镜（16）；所述Nd:YAG四倍频激光器（1）和充D₂的拉曼管（13）、充H₂的拉曼管（8）、半反半透镜（2）、第一45⁰全反镜（3）、第二45⁰全反镜（5）、第三45⁰全反镜（6）、第一直角棱镜（10）和第三直角棱镜（11）具有相同的中心高，依次搭载在一块光学平板上，组成激光发射系统；Nd:YAG四倍频激光器（1）输出波长为266nm，输出的激光被半反半透镜（2）分为两束光，其中一束被第一45⁰全反镜（3）折射后，经第一透镜（7）后在充H₂的拉曼管（8）内聚焦，产生各级Stokes效应，输出299nm拉曼频移光源，另一束激光被第二45⁰全反镜（5）和第三45⁰全反镜（6）折射后，经第三透镜（12）后再充D₂的拉曼管（13）内聚焦，产生各级Stokes效应，输出289nm和316nm拉曼频移光源，两路光分别剩余的266nm激光和各自产生的299nm、289nm、316nm拉曼频移光源，分别被第二透镜（9）、第四透镜（14）准直扩束，经扩束后的四波长激光发散角均小于等于0.15mrad，分别由第一直角棱镜（10）、第二直角棱镜（11）、第三直角棱镜（15）和第四直角棱镜（16）发射到大气中；所述第一45⁰全反镜（3）、第二45⁰全反镜（5）、第三45⁰全反镜（6）、第一直角棱镜（10）、第二直角棱镜（11）、第三直角棱镜（15）和第四直角棱镜（16）固定在调整架上，调整架上的旋钮调整1⁰，光束指向性调整0.02mrad；所述激光雷达接收光学系统（17）搭载在光学平板的背面，使激光雷达接收光学系统（17）与激光发射系统不易受环境温度导致的结构变形的影响，通过调整第一直角棱镜（10）、第三直角棱镜（15），保证激光雷达接收光学系统（17）与激光发射系统光轴平行；所述信号分离和光电转换系统包括四波长光栅光谱仪（18）和266nm光电倍增管（21）、289nm光电倍增管（22）、299nm光电倍增管（23）和316nm光电倍增管（24），四波长光栅光谱仪（18）安装在激光雷达接收光学系统（17）尾部平面上，二者光轴重合，266nm光电倍增管（21）、289nm光电倍增管（22）、299nm光电倍增管（23）和316nm光电倍增管（24）分别安装在光栅光谱仪尾部平面上，通过光栅光谱仪的四波长回波信号在266nm光电倍增管（21）、289nm光电倍增管（22）、299nm光电倍增管（23）和316nm光电倍增管（24）聚焦为一点，经266nm 光电倍增管（21）、289nm光电倍增管（22）、299nm光电倍增管（23）和316nm光电倍增管（24）光电转换为电流信号，并由瞬态记录仪（19）采集接收；所述工控机（20）自动控制Nd:YAG四倍频激光器（1）、瞬态记录仪（19）工作，工控机（20）通过串口向Nd:YAG四倍频激光器（1）发送激光开启信号，同时给瞬态记录仪（19）发送工作信号，进入预工作状态；Nd:YAG四倍频激光器（10）出光后，Nd:YAG四倍频激光器（10）、瞬态记录仪（19）同时发送信号反馈给工控机（20）；工控机（20）开始采集计时，Nd:YAG四倍频激光器（1）发射激光脉冲，瞬态记录仪（19）同步从266nm光电倍增管（21）、289nm光电倍增管（22）、299nm光电倍增管（23）、316nm光电倍增管（24）中读取数据并进行数据采集，并同时将实际采集脉冲数实时传递给工控机（20），工控机（20）根据瞬态记录仪（19）反馈的实际采集脉冲数进行计时和实时显示信号状态，同时监控Nd:YAG四倍频激光器（1）、瞬态记录仪（19）的工作状态；计时达到预设结果时，工控机（20）通过串口向Nd:YAG四倍频激光器（1）、瞬态记录仪（19）同时发送停止工作命令，工控机（20）将采集到的数字信号、采集参数和Nd:YAG四倍频激光器（1）、瞬态记录仪（19）工作状态数据保存为激光雷达数据文件，并通过差分吸收反演方法（该方法具体采用双波长差分吸收方法，具体详见Claus Weitkamp所著《Range‑Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere》的Differential‑absorption lidar for ozone and industrial emissions章节），得到所测光路路径上的臭氧浓度廓线；除获得臭氧浓度廓线外，同时可得到边界层高度和颗粒物消光系数、云特性、颗粒物质量浓度等时空分布；这一工作过程是一个循环不间断的过程。